提高多高层混凝土厂房抗震性能的几种方案.doc

提高多高层混凝土厂房抗震性能的几种方案李阳韬（黑龙江省建筑材料工业规划设计研究院）摘要：多高层高层混凝土厂房结构设计无法满足规范要求时，为提高厂房抗震性能达到规范要求或保证有更高的安全性提出几种改进方案，并通过PKPM系列软件进行计算，将计算结果进行对比分析。关键词：多高层混凝土结构；厂房；PKPM；周期比；位移比；柱间支撑0 引言随着科学技术的发展进步和工业生产工艺的不断创新，一大批立体生产线出现在各个行业的工艺设计中。因此当今多高层厂房结构设计已经成为工业结构设计最主要的组成部分之一。现在在多高层工业厂房的设计中我们常用到的结构形式有多层钢框架结构和混凝土框架结构两种，而后者凭借其在耐久性和抗振动位移能力等方面的优越性在很多工程中被设计者所采用。在多高层工业厂房设计中工艺设计专业往往要求厂房在平面布置中有较大的使用净空间，而在竖向布置中为满足设备高度要求又要有较大层间高度，结构设计师在考虑满足上述要求和其他专业要求进行结构布置后会发现大多数设计会出现平面布置不均匀对称、竖向布置层高变化较大等问题，而这些问题常常会造成结构平面不规则和竖向不规则等后果，从而使设计无法满足抗震要求。下面就谈一下多高层混凝土厂房设计中常会出现的抗震问题和能够使其满足抗震要求的几种方法。1 现行规范对多高混凝土结构层厂房抗震能力的主要要求目前涉及到多高混凝土结构层厂房抗震能力的要求的现行标准主要有三部规范，它们分别是建筑抗震设计规范（GB50011-2010）（以下简称抗规）、混凝土结构设计规范（GB50010-2010）（以下简称砼规）、高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）（以下简称高规）。规范对结构的抗震要求可以总结为三方面：概念设计、抗震计算、构造措施，后两者规范要求比较详细全面相信对于每位结构设计师来说都是比较熟悉且能很好掌握运用的，而前者概念设计对于结构的抗震能力好坏起至关重要的决定作用但有时为满足厂房的使用功能而无法很好地达到规范要求。概念设计是指根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程。进行概念设计最关键部分就是合理的构件布置，抗规第3.4节建筑形体积构件的规则性和高规第3.4节结构平面布置及第3.5节结构竖向布置中都有严格的要求。2 工程实例与分析2.1 工程概况介绍此工程为黑龙江省依兰县某粮食加工厂立体加工厂房，根据抗规及此工程地质勘查报告可知该地区抗震设防烈度为6度，设计分组为一组，该场地为对建筑抗震的一般地段，建筑场地类别为类。该工程为混凝土框架结构，轴线距离22.4m22.2m具体平面布置简图1，建筑高度27.2m（为高层厂房），地上五层无地下室一至五层层高分别为5.2m、6.9m、4.0m、5.6m、5.5m具体立面布置见图2。该工程基础采用桩基础基础满足承载力及抗震要求。该工程楼板采用钢筋混凝土现浇楼板，布置主次梁。框架柱截面：KZ1 1、2层 800mm800mm，35层700mm700mm；KZ2 1、2层 700mm700mm，35层600mm600mm；KZ3 15层600mm600mm。 图1平面布置图 图2立面布置图2.2 结构计算与规范要求对比荷载按相关规范要求和工程实际情况及设备自重等布置。采用PKPM2010（2012年5月版）系列软件进行该工程的建模计算。计算主要结果与规范要求对比分析如下：（1）最小刚度比（X，Y 方向本层塔侧移刚度与上一层相应塔侧移刚度70%的比值或上三层平均侧移刚度80%的比值中之较小者） X方向最小刚度比: 0.7834(第 2层第 1塔) Y方向最小刚度比: 0.7638(第 2层第 1塔)根据抗规第3.4.3条第1款表3.4.3-2可知最小刚度比小于1.0为侧向刚度不规则。（2）结构整体稳定验算结果 层号 X向刚度 Y向刚度 层高 上部重量 X刚重比 Y刚重比 1 0.953E+06 0.102E+07 5.20 53443. 92.73 99.66 2 0.154E+06 0.168E+06 6.90 41744. 25.39 27.72 3 0.280E+06 0.314E+06 4.00 30126. 37.19 41.65 4 0.162E+06 0.175E+06 5.60 19654. 46.26 49.81 5 0.153E+06 0.159E+06 5.50 8855. 94.98 98.61 该结构刚重比Di*Hi/Gi大于10,能够通过高规第5.4.4条的整体稳定验算 该结构刚重比Di*Hi/Gi大于20,可以不考虑重力二阶效应（3）本层与上一层的承载力之比（用Ratio_Bu表示） 层号 塔号 X向承载力 Y向承载力 Ratio_Bu:X,Y 5 1 0.2349E+04 0.2495E+04 1.00 1.00 4 1 0.3164E+04 0.3243E+04 1.35 1.30 3 1 0.5648E+04 0.5966E+04 1.78 1.84 2 1 0.4272E+04 0.4402E+04 0.76 0.74 1 1 0.6823E+04 0.6999E+04 1.60 1.59 X方向最小楼层抗剪承载力之比: 0.76 层号: 2 塔号: 1 Y方向最小楼层抗剪承载力之比: 0.74 层号: 2 塔号: 1根据抗规第3.4.3条第1款表3.4.3-2可知Ratio_Bu小于0.8为楼层承载力突变。（4）考虑扭转耦联时的振动周期(秒)、X,Y 方向的平动系数、扭转系数 振型号 周 期 转 角 平动系数 (X+Y) 扭转系数 1 1.2185 179.30 0.94 ( 0.94+0.00 ) 0.06 2 1.1629 88.93 1.00 ( 0.00+1.00 ) 0.00 3 1.0852 173.92 0.06 ( 0.06+0.00 ) 0.94由pkpm计算数据可知扭转为主的第一自振周期Tt=1.0852S，平动为主的第一自振周期T1=1.2185，Tt/ T1=0.891。根据高规3.4.5条Tt/ T1不应大于0.9，本工程满足。（5）楼层最小剪重比X向楼层最小剪重比1.34%（1层）Y向楼层最小剪重比1.43%（1层）抗规范5.2.5条要求楼层最小剪重比大于0.80%，本工程满足。（6）规定水平力下的楼层最大位移比aX 方向地震作用规定水平力下的楼层最大位移比X方向最大位移与层平均位移的比值: 1.05(第 3层第 1塔) X方向最大层间位移与平均层间位移的比值: 1.06(第 3层第 1塔)bY 方向地震作用规定水平力下的楼层最大位移比 Y方向最大位移与层平均位移的比值: 1.01(第 2层第 1塔) Y方向最大层间位移与平均层间位移的比值: 1.01(第 2层第 1塔) 根据抗规第3.4.3条第1款表3.4.3-1可知位移的比小于1.2不属于扭转不规则。2.3 分析与总结由工程资料可知本工程不存在凹凸不规则和竖向抗侧力不连续的问题，假设本工程不存在楼板局部不连续情况，结合上面计算结果分析本工程存在两项不规则类型虽然本工程可判断为一般不规则建筑但Y方向最小刚度比0.7638x0.7=0.53和周期比Tt/ T1=0.891都非常接近抗规第3.4.1条条文说明表1的极限值这是对结构非常不利的必须采取特别的加强措施。从前面的计算数据可以看出本工程存在明显薄弱层，第二层为薄弱层，加强措施应主要针对第二层。3 提高结构抗震性能的一般措施与效果分析这里介绍三种提高结构抗震性能方法并结合以上工程实例分析效果。3.1 加大薄弱层及以下各层柱截面来提高结构抗震性能将上面工程中框架柱截面加大，KZ1 1、2层 1000mm1000mm，KZ2 1、2层 800mm800mm，KZ3 12层700mm700mm，35层柱截面不变。采用PKPM2010进行该工程的建模计算，主要计算结果如下。（1）最小刚度比X方向最小刚度比: 1.0000(第 5层第 1塔)Y方向最小刚度比: 1.0000(第 5层第 1塔)此结果表明不存在侧向刚度不规则问题。（2）本层与上一层的承载力之比X方向最小楼层抗剪承载力之比: 1.00 层号: 5 塔号: 1Y方向最小楼层抗剪承载力之比: 1.00 层号: 5 塔号: 1此结果表明不存楼层承抗剪载力突变问题。（3）考虑扭转耦联时的振动周期(秒)、X,Y 方向的平动系数、扭转系数振型号 周 期 转 角 平动系数 (X+Y) 扭转系数 1 1.1265 0.46 0.93 ( 0.93+0.00 ) 0.07 2 1.0692 90.61 1.00 ( 0.00+1.00 ) 0.00 3 1.0046 3.22 0.07 ( 0.07+0.00 ) 0.93Tt=1.0046S，Tt=1.1265S，Tt/ T1=0.892小于0.9但比原设计变大。（4）规定水平力下的楼层最大位移比aX 方向地震作用规定水平力下的楼层最大位移比X方向最大位移与层平均位移的比值: 1.05(第 3层第 1塔) X方向最大层间位移与平均层间位移的比值: 1.06(第 3层第 1塔)bY 方向地震作用规定水平力下的楼层最大位移比 Y方向最大位移与层平均位移的比值: 1.01(第 2层第 1塔) Y方向最大层间位移与平均层间位移的比值: 1.01(第 2层第 1塔)此结果表明不属于扭转不规则。由以上计算结果可以看出简单同时加大薄弱层柱截面可以很好地解决刚度不规则和抗剪承载力突变问题但对周期比没有太大影响，而且在实际工程中还有可能存柱过大导致设备无法正常安装而不能满足使用功能的问题。3.2在薄弱层及以下各层加剪力墙来提高结构抗震性能将工程中一层和二层轴间两侧外墙和轴间两侧外墙改为300mm剪力墙，其它按原设计不改变。采用PKPM2010进行该工程的建模计算，主要计算结果如下。（1）最小刚度比X方向最小刚度比: 1.0000(第 5层第 1塔)Y方向最小刚度比: 1.0000(第 5层第 1塔)此结果表明不存在侧向刚度不规则问题。（2）本层与上一层的承载力之比X方向最小楼层抗剪承载力之比: 1.00 层号: 5 塔号: 1Y方向最小楼层抗剪承载力之比: 1.00 层号: 5 塔号: 1此结果表明不存楼层承抗剪载力突变问题。（3）考虑扭转耦联时的振动周期(秒)、X,Y 方向的平动系数、扭转系数振型号 周 期 转 角 平动系数 (X+Y) 扭转系数 1 0.8178 179.72 0.98 ( 0.98+0.00 ) 0.02 2 0.7618 89.42 1.00 ( 0.00+1.00 ) 0.00 3 0.6854 162.71 0.02 ( 0.02+0.00 ) 0.98Tt=0.6854S，Tt=0.8178S，Tt/ T1=0.838小于0.9且比原设计减小。（4）规定水平力下的楼层最大位移比aX 方向地震作用规定水平力下的楼层最大位移比X方向最大位移与层平均位移的比值: 1.04(第 3层第 1塔) X方向最大层间位移与平均层间位移的比值: 1.05(第 3层第 1塔)bY 方向地震作用规定水平力下的楼层最大位移比 Y方向最大位移与层平均位移的比值: 1.03(第 2层第 1塔) Y方向最大层间位移与平均层间位移的比值: 1.09(第 2层第 1塔)此结果表明不属于扭转不规则。在薄弱层加设落地剪力墙可以解决刚度不规则和抗剪承载力突变问题还可以减小周期比，剪力墙在外墙处不会影响到使用功能。但加设剪力墙会明显加大工程造价，如薄弱层较低造价提高不太多工程投资方案可以被接受，如果薄弱层较高加设落地剪力墙会使造价提高较大一般投资方很难接受。3.3在薄弱层加柱间支撑来提高结构抗震性能以原设计为基础只在薄弱层（二层）轴间两侧外墙和轴间两侧外墙加柱间支撑，支撑采用焊接H形钢（H500X500X12X16）按抗压支撑设计。采用PKPM2010进行该工程的建模计算，主要计算结果如下。（1）最小刚度比X方向最小刚度比: 1.0000(第 5层第 1塔)Y方向最小刚度比: 1.0000(第 5层第 1塔)此结果表明不存在侧向刚度不规则问题。（2）本层与上一层的承载力之比X方向最小楼层抗剪承载力之比: 0.97 层号: 1 塔号: 1Y方向最小楼层抗剪承载力之比: 0.92 层号: 1 塔号: 1此结果表明不存楼层承抗剪载力突变问题。（3）考虑扭转耦联时的振动周期(秒)、X,Y 方向的平动系数、扭转系数振型号 周 期 转 角 平动系数 (X+Y) 扭转系数 1 0.8965 179.70 0.99 ( 0.99+0.00 ) 0.01 2 0.8412 89.53 1.00 ( 0.00+1.00 ) 0.00 3 0.7435 166.89 0.01 ( 0.01+0.00 ) 0.99Tt=0.7435S，Tt=0.8965S，Tt/ T1=0.829小于0.9且比原设计减小。（4）规定水平力下的楼层最大位移比aX 方向地震作用规定水平力下的楼层最大位移比 X方向最大位移与层平均位移的比值: 1.04(第 5层第 1塔) X方向最大层间位移与平均层间位移的比值: 1.05(第 3层第 1塔)bY 方向地震作用规定水平力下的楼层最大位移比 Y方向最大位移与层平均位移的比值: 1.01(第 2层第 1塔)Y方向最大层间位移与平均层间位移的比值: 1.02(第 2层第 1塔)此结果表明不属于扭转不规则且Y方向位移比明显减小。通过计算能看出在薄弱层添加柱间支撑可明显改善薄弱层抗震性能同时又不会发生薄弱层转移的现象，因此工程的总体抗震性能得到提高。从经济性角度来看，只在薄弱层部位加柱间支撑造价较低，经济适用。3 总结通过以上对比分析三种提高抗震性能的措施在技术上都是可行的，效果上来看增加剪力墙和薄弱层加柱间支撑效果较好一些，从施工角度来看三种方案施工工艺都比较简便成熟，造价上来看薄弱层加柱间支撑最为经济。参考文献：1 付国顺.多、高层工业厂房计算探讨 J.工业建筑,2001,30(5):18-19.2 洪慧慧,张巨石.论钢筋混凝土多层框架结构的地震控制设计J. 民营科技,2009，05:2123 钟益村. 多层和高层钢筋混凝土房屋抗震设计J .建筑科学,1988, 02 :44-504 张维斌.多层及高层钢筋混凝土结构设计释疑及工程实例 M. 北京：中国建筑工业出版社，20055 李国胜.简明高层钢筋混凝土结构设计手册（第二版）M. 北京：中国建筑工业出版社，2003